淺析交流伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

劉揚(yáng)+林毅+姜一暉

摘要： 交流伺服系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)進(jìn)步，與交流伺服系統(tǒng)相關(guān)的各種硬件和控制技術(shù)獲得了快速發(fā)展。隨著交流伺服系統(tǒng)性能的提升和價(jià)格的降低，其逐漸成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。文章從交流伺服系統(tǒng)的概況、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了簡要分析。

Abstract： Ac servo system is an important part of the motion control system.With the development of the modern industry technology， the hardware and the control technology of the ac servo system have been developed quickly. With the increased performance of the ac servo system and the lower price， the ac servo system has become the trend of the modern servo system. The article analyses the general situation， application status and the trends.

關(guān)鍵詞： 伺服系統(tǒng)；技術(shù)特點(diǎn)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

Key words： servo system；technical characteristics；application status；trend in development

中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）20-0034-02

1 交流伺服系統(tǒng)簡介

“伺服”一詞來自英文單詞Servo的音譯，是指運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)按照人們的外部指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。隨著科技的發(fā)展，伺服系統(tǒng)從一開始的液壓模式發(fā)展到目前的電氣模式。電氣伺服系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、反饋和控制裝置組成。其中伺服電機(jī)是運(yùn)動(dòng)的主要執(zhí)行部件。隨著交流伺服電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)的直流電機(jī)逐步為交流電機(jī)取代?？刂蒲b置的主要作用是伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，主要是力矩、速度和位置等。

2 交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 交流伺服系統(tǒng)的分類 首先，交流伺服系統(tǒng)按照接受和處理指令信號(hào)的方式可分為以下三類：模擬式伺服系統(tǒng)、數(shù)字模擬混合式伺服系統(tǒng)和全數(shù)字式伺服系統(tǒng)。其次，按照伺服系統(tǒng)的伺服電機(jī)來分也可以分為兩類，一是利用永磁同步伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)，二是用鼠籠式異步電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。

2.2 目前交流伺服系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的概況和性能分析 隨著交流伺服系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用日趨廣泛，目前市場(chǎng)上與交流伺服系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品種類日益齊全，從交流伺服電機(jī)、變頻器、各類伺服控制器到車間和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。

2.2.1 伺服電機(jī) 目前市場(chǎng)上的伺服電機(jī)按照容量可以分為超小型、小型、中型和大型。由于永磁材料制造技術(shù)不斷提高，以銣鐵硼為代表的新型永磁材料被用于永磁伺服電機(jī)的制造。由于該型永磁材料各方面的性能十分出色，同時(shí)交流伺服電機(jī)也采用了更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，最新的交流伺服電機(jī)還采用了更先進(jìn)的位置編碼器，雖然信號(hào)線減少為5根，但是通信速率、通信周期、數(shù)據(jù)長度和分辨率等指標(biāo)卻有較大提高。這些新材料新技術(shù)的應(yīng)用使得伺服電機(jī)在體積不斷縮小的情況下，性能卻得到大幅度的提升。

2.2.2 伺服控制器 由于傳統(tǒng)的模擬控制存在系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy、易產(chǎn)生漂移、不易復(fù)雜計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制算法等缺點(diǎn)，隨著伺服系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬控制逐步為采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)以現(xiàn)代矢量控制思想實(shí)現(xiàn)了電流向量的幅值控制和相位控制的現(xiàn)代伺服系統(tǒng)取代。其先進(jìn)的技術(shù)和工藝主要有以下幾方面：①現(xiàn)代伺服系統(tǒng)一般采用將控制算法固化在專用硬件環(huán)路中的方式利用硬件來進(jìn)行電流環(huán)控制，減少了主CPU的運(yùn)算量。并采用高速的d-q軸變換電流單元提高了轉(zhuǎn)矩控制精度，保證了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)都具有良好性能。②最新的伺服控制器采用了具有脈沖編碼器倍增功能，使伺服系統(tǒng)位置控制的整定時(shí)間大為縮短。③利用速度實(shí)時(shí)檢測(cè)控制算法來提高伺服電機(jī)的低速性能，進(jìn)一步降低了速度波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)采用在線自動(dòng)鎖定功能，縮短了調(diào)試時(shí)間，增加了操作的便利性。④最新的伺服控制器采用了全閉環(huán)的控制方式，使伺服控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)誤差通過計(jì)算進(jìn)行必要的修正。⑤由于精簡指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，使主CPU的數(shù)據(jù)處理能力提高到32位，運(yùn)算處理速度大為加快，精度也有大幅度的提高。

2.2.3 上位控制群的廣泛應(yīng)用 隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的提高，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于機(jī)械化設(shè)備的高速度、高精度和小型化的要求越來越高，因此上位機(jī)控制群的應(yīng)用越來越廣泛。這種控制系統(tǒng)具有可從上層直連到底層的通用輸入、輸出控制單元以及視覺傳感系統(tǒng)。編程語言可按照用戶要求進(jìn)行選擇和配置?？蓮V泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)械，性價(jià)比很高。

2.3 我國交流伺服系統(tǒng)的主要差距 交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要包括調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等五方面。我國現(xiàn)階段的伺服系統(tǒng)與國外先進(jìn)水平還有一定的差距。首先，國外高性能伺服電機(jī)的響應(yīng)頻率已經(jīng)高達(dá)900Hz，而國產(chǎn)的絕大部分產(chǎn)品的頻率都在200～500Hz，差距是非常明顯的。其次，國產(chǎn)產(chǎn)品在系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性方面和世界先進(jìn)水平也存在較大差距。最后，由于國外對(duì)伺服控制技術(shù)的封鎖，使得以軟形式進(jìn)行伺服控制的伺服系統(tǒng)的核心技術(shù)與世界先進(jìn)水平存在較大的差距，嚴(yán)重制約了我國高性能伺服系統(tǒng)的發(fā)展，因此研發(fā)最先進(jìn)的永磁同步電機(jī)伺服控制技術(shù)已經(jīng)成為這一領(lǐng)域當(dāng)前最為迫切的任務(wù)之一。

3 交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展前景分析endprint

3.1 交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用前景 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)首先被應(yīng)用到的是具有高精度控制要求的宇航和軍事領(lǐng)域，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈發(fā)射車和雷達(dá)控制等方面。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，和生產(chǎn)精度和自動(dòng)化要求的不斷提高這一技術(shù)逐漸進(jìn)入到工業(yè)和民用領(lǐng)域，并得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在工業(yè)方面主要用于高精度數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人以及其他的數(shù)控機(jī)械。在數(shù)控機(jī)床中的部分高端產(chǎn)品已經(jīng)開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。由于科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于工業(yè)機(jī)械的高精度要求以及工業(yè)機(jī)械向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化不斷發(fā)展，同時(shí)，由于機(jī)電一體化技術(shù)的不斷成熟，自動(dòng)駕駛技術(shù)和智能化樓宇的出現(xiàn)標(biāo)志著這一技術(shù)已經(jīng)逐步走進(jìn)我們的日常生活。因此，交流伺服系統(tǒng)在未來必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.2 交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向分析

3.2.1 數(shù)字化 隨著數(shù)字技術(shù)和微處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，以模擬電子器件為主的伺服控制單元將會(huì)被采用全數(shù)字處理器的伺服控制單元全面取代，從而實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)全數(shù)字化。在伺服控制方面將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖刂?，以便在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的控制方法。

3.2.2 高集成化 下一代伺服系統(tǒng)將采用高集成化的多功能控制單元。對(duì)每一個(gè)控制單元，均可以通過軟件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以改變伺服系統(tǒng)的性能適應(yīng)不同用戶的需求，既可以使用內(nèi)置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口連接外部傳感器構(gòu)成全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.2.3 智能化 智能化是目前自動(dòng)控制的一個(gè)發(fā)展方向，因此伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能化是一種必然趨勢(shì)。最新伺服控制單元的智能化特點(diǎn)主要有：①參數(shù)記憶功能。所有參數(shù)都可以保存在伺服單元內(nèi)部，甚至可以在運(yùn)行過程中由上位計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)加以修正；②故障自查與分析功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其類型和可能的原因可以清楚地顯示出來，以便于維修和調(diào)試；③參數(shù)自整定的功能。新一代的伺服單元能夠通過試運(yùn)行自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)整定和優(yōu)化。

3.2.4 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 為適應(yīng)工廠自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信及局域網(wǎng)接口。以便增強(qiáng)伺服單元與其它控制設(shè)備的互聯(lián)能力，從而使數(shù)臺(tái)以至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位控制計(jì)算機(jī)連接形成一個(gè)完整龐大的數(shù)控系統(tǒng)。有效提升了工廠自動(dòng)化的水平。

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化水平不斷提高。在此背景下，作為運(yùn)動(dòng)控制核心的交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展日新月異。伺服控制控制有傳統(tǒng)的模擬控制向數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化不斷邁進(jìn)。本文對(duì)交流伺服系統(tǒng)的的構(gòu)成、應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡要的討論，限于篇幅，分析不夠深入，以供大家參考。

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